DE7728790U1 - Vorrichtung zur herstellung von bloecken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken aus unlegierten und legierten Stählen mit verminderter Porosität, verbesserter Primärkristallisation, verringerter Blockseigerung und vermindertem Gehalt sowie feinerer Verteilung der nichtmetallischen Einschlüsse, mit einer eine Bodenplatte aufweisenden Kokille mit zylindrischem oder polygonalem Innenraum, einem auf die Kokille aufsetzbaren kühlbaren Aufsatz und einer in den Aufsatz einführbaren Elektrw.e, die über eine Stromquelle mit der Bodenplatte verbindbar ist.

Beim Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatszustand tritt bei Stahl- und Metallegierungen eine Volumskontraktion von etwa 2 - 6 % auf. Bei der Erzeugung von Gußstücken aus dem schmelzflüssigen Zustand können sich undichte Zonen im Gußstück bilden. Diese undichten Zonen sind Hohlräume, Lockerstellen, Poren und Lunker; sie treten vorwiegend im Bereich der Resterstarrung des Gußstückes auf, wenn kein flüssiges Material zur Auffüllung der durch die Volumskontraktion bei der Erstarrung entstehenden Schrumpfräume vorhanden ist.

Treffen Erstarrungsfronten aufeinander, so wird ein Nachfließen von flüssigem Metall in den Raum zwischen den Erstarrungsfronten während der Enderstarrung durch Brückenbildung bereits erstarrter Partikel unterbunden. Dabei entstehen unterbrochene langgestreckte undichte Zonen, welche als Fadenlunker oder "Kernporositäten in Längsachse" bekannt sind. Für d: -3 Weiterverarbeitung zu qualitativ hochwertigen Werkstücken ist jedoch ein vollkommen dichter Gußblock Voraussetzung.

Es sind bereits Vorrichtungen zur Herstellung von Blöcken aus unlegierten und legierten Stählen bekannt, welche die Vermeidung undichter Zonen in den Gußstücken zum Ziele haben. So hat man beispielsweise versucht, ein paralleles Aufeinandertreffen der Erstarrungsfronten durch Verwendung von Kokillen zu vermeiden, welche nicht zylindrisch, sondern kegelstumpfförmig ausgebildet sind und eine Konizität von 7 - 12 %, vorzugsweise 10 %, aufweisen. Die Aufstellung solcher Kokillen erfolgt derart, daß der größere Innendurchmesser nach oben weist, wobei auf dem oberen Teil eine wärmeisolierende Haube aufgesetzt wird. Beim Guß wird nicht nur die Kokille, sonder auch die Haube mit flüssigem Stahl gefüllt. Bei großen Gußblöcken

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kann das Haubenvolumen bis zu 25 %, z. B. etwa 20 %, des Innenvolumens der Kokille betragen. Durch die Wärmeisolierung der Haube bleibt der Stahl in diesem Bereich am längsten flüssig, dient somit dem Blockkörper als Speiser und gleicht die der während der Blockerstarrung entstehende Volumskontraktion des Metalls aus.

Die mit dieser bekannten Kokille erzeugten Gußblöcke sind in dem für die Weiterverarbeitung vorgesehenen Blockkörperteil kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet, so daß bei der Verformung durch Schmieden oder Walzen auf zylindrisches Format oder Quadratformat zwangsläufig unterschiedliche Verformungsgrade des: Materials zwischen Blockbodenteil und Blockkopfteil auftreten. Zur Erzielung gleichmäßiger Materialeigenschaften des Werkstückes ist jedoch ein bestimmter, möglichst gleich hoher Verformungsgrad erwünscht, welcher sich aus dem Verhältnis der Querschnittsflächen vor und nach dem Schmiedeoder Walzvorgang errechnet. Zur sicheren Vermeidung von Lockerstellen und zur Gewährleistung gewünschter Materialeigenschaften ist ein Mindestverformungsgrad notwendig, der vom kleinsten Blockdurchmesser bestimmt wird, der jedoch für die obere Blockzone mit größerem Durchmesser größer ist, was qualitative und wirtschaftliche Nachteile hervorrufen kann.

Es ist auch bekannt, eine mit einem wassergekühlten Aufsatz versehene, konisch ausgebildete Kokille zu verwenden, wobei flüssiger Stahl in einer dem gewünschten Blockgewicht entsprechenden Menge eingegossen, darauf eine Schlackenmischung aufgegeben und der Schlacke während der Erstarrung des Stahles Energie zugeführt wird, vorteilhaft mindestens 120 kWh je Tonne Blockgewicht.

Bei dieser Art der Energiezufuhr zur Schlackenmischung, wie sie z. B. in AT-PS 282 845 und AT-PS 295 764 beschrieben wird, wobei die Kokillen eine zylindrische Form aufweisen, ist im unteren Teil des Gußblockes zumeist keine Beeinflussung des Kristallwachstums und der Erstarrungsrichtung gegeben, wodurch Seigerungen entstehen können, welche in der Folge ungleiche Eigenschaften des Materials bewirken.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der aufgezeigten Nachteile und stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zur

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Herstellung zylindrischer Blöcke zu schaffen, welche frei von Lockerstellen, Porösität und Lunkern sind; wobei eine beeinflußte, gerichtete Erstarrung vom Bodenteil bis in den Blockkopf erreicht wird und die Kristallisation besonders im Bereich der Enderstarrung des Blockes in vertikaler Richtung verläuft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Außenseite der Kokille mindestens über einen Teil der Höhenerstreckung der Kokillenseitenwände eine wärmeisolierende Bandage vorgesehen ist und diese vorteilhaft von einem Mantel umgeben ist. Die Wärmeableitung nach unten zu durch die Bodenplatte der Kokille ist dabei gestört und die Erstarrung des Blockes wird in die vertikale Richtung gelenkt. Durch Energiezufuhr in das Schlackenbad erfolgt eine Raffinierung bei gleichzeitiger Verlängerung der Erstarrungszeit und damit eine weitere günstige Beeinflussung der Blockqualität.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform beginnen die wärmeisoliere Bandage und der Mantel am oberen Rand der Kokille und enden in einem Abstand H oberhalb der Bodenplatte, so daß die Kokillenseitenwände in Bodennähe frei bleiben.

Vorteilhaft nimmt die Dicke der wärmeisolierenden Bandage von oben nach unten ab.

Nach einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung kann ein gerichteter Wärmeentzug nach unten auch dadurch erreicht werden, daß anstelle einer isolierenden Umhüllung der Kokillenseitenwände eine Kokille vorgesehen ist, deren Seitenwände eine von oben nach unten zunehmende Dicke aufweisen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von vier Ausführungsbeispielen in den Fig. 1 bis 4, die Längsschnitte darstellen, näher erläutert.

In Fig. 1 ist auf einer metallischen Bodenplatte 1 eine zylindrische Stahlwerkskokille 2 angeordnet, auf welcher ein gekühlter bzw. kühlbarer Aufsatz 3 aufgesetzt ist. Die Kokille wird mit flüssigem Stahl 4 bis zu ihrem oberen Rand gefüllt. Dann wird eine flüssige Schlackenmischung 5 in den Aufsatz 3 eingebracht und eine Elektrode 6, die an einem Pol an einer Stromquelle 7 angeschlossen ist, in Stellung gebracht, so daß ihre Spitze in das Schlackenbad reicht. Der andere Pol der

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Stromquelle ist mit der Bodenplatte 1 verbunden. Die Kokille weist an ihrer Außenseite eine wärmeisolierende Bandage 8 auf, die von einem tragenden Mantel 9 umgeben ist. Nach Eingießen des flü^cs^Jien Stahls erfolgt von der Kokillenwandung 2 und der Bodenp ai_ ^Λ in senkrechter Richtung ausgehend die erste Kristallisation und somit die Bildung der Blockschale 10. Durch die Wärmeableitung aus dem kristallisierenden Block wird sowohl die Kokille 2 als auch die Bodenplatte 1 aufgeheizt. Die wärmeisolierende Bandage 8 der Kokille 2 hindert jedoch weitgehend einen Wärmetransport nach außen, so daß für einen Abtransport der Wärmeenergie aus dem Block in erster Linie die Bodenplatte maßgebend ist. Mit höher werdender Temperatur der Kokille erfolgt somit die Wärmeabfuhr vom kristallisierenden Block immer mehr über die Bodenplatte, so daß die Erstarrungsrichtung in zunehmendem Maße in vertikaler Richtung nach oben verläuft. Durch Energiezufuhr über die Schlacke 5 mittels der Elektrode 6 wird die Richtung des Wärmegefälles im Block und somit die Richtung der Kristallisation weiter zur Vertikalen verschoben und die Volumskontraktion durch das von der Elektrode abtropfende Metall ausgeglichen. Die in die Blockschale 10 eingezeichneten Linien veranschaulichen die Richtung des Kristallwachstums.

Gemäß Fig. 2 ist auf einer Bodenplatte 1 eine Kokille 2 angeordnet, worauf ein gekühlter Aufsatz 3 gesetzt ist. In einem Abstand H von der Bodenplatte befindet sich eine, aie Kokillenwand isolierende Schicht 8, die vom Mantel 9 getragen wird. Die Kokille 2 wird bis zu ihrem oberen Rand mit flüssigem Stahl gefüllt, worauf in den Aufsatz 3 eine flüssige Schlackenmischung 5 eingebracht, dieser von der Energiequelle 7 über die Elektrode 6 elektrische Energie zugeführt und die Schlackenmischung dadurch auf hoher Temperatur gehalten wird. Bei der Erstarrung des Blockes wird Wärme in die Bodenplatte 1 und Kokille 2 abgeleitet. Der Wärmedurchfluß durch die Kokille 2 ist jedoch durch die Isolierung 8, welche in einem Abstand H von der Bodenplatte 1 beginnt, gemindert bzw. weitgehend unterbunden. Durch diese Isolierung wird das Wärmeableitungsvermögen der Kokille im Isolierungsbereich vor dem Durcherstarren des Blockes begrenzt. Auf diese Weise ist wiederum der Wärmetransport und somit die Kristallisation in vorwiegend ver-

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tikale Richtung eingestellt, wobei dies noch durch die Beheizung des Blockkopfes unterstützt wird. Mit fortschreitender Blockerstarrung kann die Isolation 8 nach oben verlagert bzw. Stücke der Isolation 8 nahe der Bodenplatte 1 entfernt werden. Bei weiterer Erstarrung ist ein Entfernen der Isolation 8 möglich, wodurch eine Verkürzung der Blockerstarrungszeit eintritt.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung zeigt eine Bodenplatte 1, auf welcher die Kokille 2 gestellt ist, die einen kühlbaren Aufsatz 3 trägt. Die Isolation 8, welche vom Mantel 9 getragen wird, ist konisch ausgebildet, u. zw. mit sich nach oben vergrößernder Dicke. Beim Guß des Blockes wird die Kokille 2 bis zu ihrem oberen Rand gefüllt, worauf in den Aufsatz 3 eine Schlackenmischung 5 eingebracht wird. Dieser wird mittels der Elektrode 6 Energie zugeführt, um sie auf hoher Temperatur zu halten. Nach dem Einguß des Stahles in die Kokille 2 wird"an der Kokilleninnenwand und an der Bodenplatte eine Blockschale 10 von gleichmäßiger Dicke gebildet. Mit Fortschreiten der Blockkristallisation und steigender Temperatur wird in zunehmendem Maße die Isolierung 8 wirksam, welche durch ihre konische Ausbildung im Oberteil der Kokille den Wärmedurchgang vermindert. Dadurch wird die Blockkristallisation in der kopfnahen Zone verlangsamt und eine flache V-förmige Sumpfausbildung bewirkt. Die Kristallisation im Enderstarrungsbereich wird nach oben in vertikale Richtung geführt. Durch die Energiezufuhr über die heiße Schlacke wird die gewünschte Sumpfausbildung unterstützt.

In Fig. 4 ist eine Vorrichtung gezeigt, bei welcher auf einer Bodenplatte 1 eine Blockkokille 2 mit nach oben abnehmender Wanddicke aufgestellt ist. In die Kokille 2 wird flüssiger Stahl bis zu ihrem oberen Rand gegossen, in die gekühlte Vorrichtung 3 Schlacke 5 eingebracht und der Schlacke über die Elektrode 6 elektrische Energie zugeführt. Durch die unterschiedliche Wanddicke der Kokille 2 ist deren Wärmeaufnahme- bzw. -ableitefähigkeit unterschiedlich. Aufgrund der größeren Wanddicke im unteren Bereich der Kokille findet im Blockbodenteil eine vermehrte Kühlung statt, wodurch mit fortschreitender Erstarrung der Sumpf immer flacher wird. Die Verflachung des flüssigen Blocksumpfes während der Erstarrung

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wird durch die Energiezufuhr über die heiße Schlacke 5 unterstützt.

Beispiel: Ein etwa 17 t schwerer Schmiedeblock wird mit einer Einrichtung gemäß Fig. 2 erzeugt. Die Polygonalkokille besitzt eine Höhe von 1700 mm und weist einen über ihre Höhe konstanten mittleren Durchmesser von 1270 mm auf. Auf die Kokille wird der gekühlte Aufsatz mit einem Durchmesser von 1110 mm gesetzt und flüssiger Stahl bis zum Kokillenoberrand eingegossen. Darauf wird eine Schlackenmischung bis zu einer Höhe von 180 mm in den Aufsatz eingebracht. Von einer Wechselstromquelle, welche einerseits mit der Bodenplatte und anderseits mit einer abschmelzenden, annähernd die gleiche Zusammensetzung wie der gegossene Block aufweisende Elektrode verbunden ist, wird elektrische Energie dem Schlackenbad zugeführt. Während der ersten 3 1/2 Stunden beträgt die bei einer Spannung von 61 V dem Schlackenbad zugeführte elektrische Leistung 620 kW. Nach dieser Zeit wird die Spannung allmählich auf 57 V gesenkt, so daß die zugeführte Leistung auf 550 kW abfällt. Nach 5 Stunden wird ein 400 mm hohes Stück der Isolierung nahe der Bodenplatte entfernt. Nach 6 Stunden wird die elektrische Spannung wiederum allmählich auf 52 V gesenkt, wodurch sich die Leistung auf 490 kW erniedrigt. Nach 7 1/2 Stunden vom Beginn des Blockgusses gerechnet, wird das zweite 400 mm hohe Isolierstück von der Kokille abgenommen, so daß nunmehr 800 mm des Kokillenunterteiles keine Isolation aufweist. 9 Stunden nach dem Abguß des Blockes erfolgt eine weitere Absenkung der Spannung auf 48 V, wobei die Leistungszufuhr auf 440 kW eingestellt wird. 10 Stunden nach dem Blockguß wird ein dritter, ebenfalls 400 mm hoher Teil der Isolierung von der Kokille abgenommen, so daß nur 500 mm des Kokillenoberteiles isoliert bleiben. Die Leistungszufuhr wird nach 18 Stunden unterbrochen, die flüssige Schlacke ausgetragen und der Block aus der Kokille genommen.

Während der gesamten Blockerstarrung wurden von der Elektrode 1480 kg Stahl abgeschmolzen, wodurch sich ein Gesamtgewicht für den fertigen erstarrten Block von etwa 19t ergab. Der Block wurde anschließend unter Anwendung eines Verformungsgrades von 3,0 zu einem zylindrischen Körper ausgeschmiedet.

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Die aus dem Schmiedestück genommenen Proben zeigten hohe Materialqualität und Freiheit von Porosität und Lunkern. Die hohe Materialqualität war aufgrund des weitgehend konstanten Verformungsgrades über die gesamte Länge des Schmiedestückes gleich. Es waren keinerlei Blockseigerungen festzustellen.

VEREINIGTE EDELSTAHLWERKE

Aktiengesellschaft (VEW)

Patentabteilung

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Claims (4)

· ·<■ ···■ · fc a Schutzansprüche :

1. Vorrichtung zur Herstellung von Blöcken aus unlegierten und legierten Stählen mit verminderter Porosität, verbesserter Primärkristallisation, verringerter Blockseigerung und vermindertem Gehalt sowie feinerer Verteilung der nichtmetallischen Einschlüsse, mit einer eine Bodenplatte aufweisenden

Kokille mit zylindrischem oder polygonalem Innenraum, einem auf die Kokille aufsetzbaren kühlbaren Aufsatz und einer in den Aufsatz einführbaren Elektrode, die über eine Stromquelle mit der Bodenplatte verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite der Kokille (2) mindestens über einen Teil der Höhenerstreckung der Kokillenseitenwände eine wärmeisolierende Bandage (8) vorgesehen ist und diese vorteilhaft von einem Mantel (9) umgeben ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Bandage (8) und der Mantel (9) am oberen Rand der Kokille (2) beginnen und in einem Abstand H oberhalb der Bodenplatte (1) enden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der wärmeisolierenden Bandage (8) von oben nach unten abnimmt.

4. Abgeänderte Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle de>r Bandage (8) eine Kokille vorgesehen ist, deren Seitenwände eine von oben nach unten zunehmende Dicke aufweisen.

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Aktiengesellschaft (VEW)

Patentabteilung

(Dipl.Ing.Branowitzer)(/ng.Dr.Fischer)

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